高性能帶通ΣΔ模數轉換器芯片研究與實現.pdf

1、近年來，高精度電容式加速度計片上系統(tǒng)（SoC）將微機械傳感器與外圍電路相集成，進一步壓縮體積，節(jié)省成本，并具有分辨率高、噪聲低、溫漂系數小、功耗低等優(yōu)點，在航空航天、國防軍工、地震勘測等尖端領域起著重要作用，具有廣闊的發(fā)展前景，已成為研究熱點。在加速度計SoC中，為了將傳感器采集到的加速度信號完整地提供給數字電路進行數字信號處理，必須先通過高精度的模數轉換器（ADC）將傳感器輸出的模擬信號轉換為數字信號。然而，在目前的許多研究中模數轉換

2、器已成為限制該系統(tǒng)精度的瓶頸所在。因此設計并實現適用于微機械加速度計的高精度專用模數轉換器芯片具有非常重要的意義。
　　本研究主要內容包括：⑴系統(tǒng)分析了不同類型和結構ΣΔ調制器的差異，為達到高轉換精度并保證高階ΣΔ調制器的環(huán)路穩(wěn)定性，首次提出將單環(huán)前饋結構應用于高階帶通ΣΔ調制器，并對該調制器的穩(wěn)定性進行了研究，給出具有實用性的穩(wěn)定條件。⑵對調制器電路中的各種非理想因素進行理論分析計算，根據系統(tǒng)仿真結果完成了帶通ΣΔ調制器的電路設

3、計、版圖設計，進行了大量后仿真驗證和版圖優(yōu)化。針對帶通ΣΔ調制器輸出信號中包含的大量帶外噪聲，設計了硬件節(jié)省的多級數字濾波器，避免在應用過程中帶外噪聲混疊到帶內。⑶基于0.18μm1P6M Mixed-signal CMOS工藝，設計并實現了帶有6階1比特量化調制器的世上首款可工作于100KHz-200KHz頻段的高精度帶通ΣΔADC芯片。單比特量化ΣΔ ADC裸片面積5mm2（包含IO），模擬部分采用3.3V電源電壓，數字部分采用1.

4、8V電源電壓。測試結果表明，ADC芯片在4KHz信號帶寬內功耗5.8mW，可以達到90 dB信噪失真比，96dB動態(tài)范圍。兩種定義的綜合品質因數 FOM分別達到156dB和23.3pJ/step，與其他應用領域的帶通 ADC測試結果對比，本文的FOM均處于國際先進水平。⑷在單比特量化調制器基礎上進行改進，又設計了一款單環(huán)前饋6階4比特量化帶通ΣΔ調制器，并給出穩(wěn)定條件。在系統(tǒng)仿真驗證中，分析了多比特量化調制器內反饋DAC電容失配對調制器